CN104020518B - 菲涅尔极轴式固定焦点聚光装置及其导杆设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种菲涅尔极轴式固定焦点聚光装置及其导杆设计方法。菲涅尔极轴式固定焦点聚光装置，包括菲涅尔透镜、第一、第二、第三季节性手动调节导杆、撑杆、横轴、极轴、极轴跟踪转动控制系统以及底座支架；所述极轴跟踪转动控制系统安装在底座支架上，所述极轴可转动地安装在底座支架上，极轴一端与极轴跟踪转动控制系统的转动轴连接，另一端垂直固定在横轴的中点处；所述三根撑杆的一端分别固定在横轴的两端及中点处，另一端分别与第一、第二、第三季节性手动调节导杆固定连接；所述菲涅尔透镜边框上设置有可分别滑动并定位卡在第一、第二、第三季节性手动调节导杆上的三个卡子。本发明解决了菲涅尔透镜固定焦点聚光的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于太阳能开发利用技术领域，涉及一种太阳能聚光装置及其导杆形设计方法，尤其涉及一种采用极轴式跟踪，能实现固定焦点聚光的菲涅尔透镜聚光装置及其导杆形状和位置的几何作图设计方法。
背景技术
由于太阳能辐射到地球表面的能量密度较低，能否经济高效利用太阳能的关键在于太阳聚光和跟踪水平的优劣。采用聚光器可提高太阳照射在单位面积上的能量密度，从而克服太阳能分散性的缺点。一般来说，可用于提高太阳能利用率的聚光器主要有反射式和折射式两类，而聚光器的跟踪方式按机械结构分类主要有单轴、双轴、斜轴、极轴跟踪。单轴跟踪只在水平方位角上跟踪太阳，高度角做周期性调整，忽略了太阳光的高度角日变化，其约为35°—80°，显然跟踪效果较差，无法满足精度要求。双轴跟踪则在水平方位角和垂直高度角上同时跟踪，实现二维跟踪。双轴跟踪精度较高，但二维跟踪机械结构较复杂，不适合分布式小型太阳能装置，同时，二维跟踪需要两台电机，提高了系统的耗能。由于太阳高度角、方位角计算较为复杂，涉及三角函数和浮点运算，不利于单片机或PLC编程实现。斜轴跟踪由斜轴俯仰角调节与斜轴自转实现二维跟踪，可以证明此二角度计算依旧较为复杂。若固定斜轴俯仰角，简化为一维，较单轴跟踪提高了精度，但跟踪效果仍较差。极轴式跟踪通过机械结构解决了跟踪精度与制造运行成本之间的矛盾。由于跟踪算法较为简单，在跟踪精度要求不高的情况下还可以简化为一维跟踪，因此在太阳能广泛应用的今天具有很好的现实意义。
目前，在太阳能聚光利用中有一种基于折光透射原理的菲涅尔透镜聚焦方式，这种方式对太阳能利用的能量转化率高，而且可向下聚光，但是也存在不足之处，为了聚焦，必须全方位跟着太阳转动，因此跟踪结构非常复杂，造价也高，难以被用户接受。中国专利号200410020974.2，名称为“塑料透射式太阳能聚光器”公开了一种由镜面区块分割法制成的塑料曲面聚光板拼接而成的球面菲涅尔透镜太阳能聚光器，该装置可实现大面积菲涅尔透镜的聚光，但采用经纬双轴跟踪控制，跟踪控制比较复杂，且其聚光焦点不固定，聚焦点必须跟随聚光器一起运动，这对于要求在聚焦点安装比较大而复杂、与外界连通的设备的太阳能聚光系统来说就受到限制，而且这些设备也是跟踪系统沉重的负担，增大了跟踪动力的功率和能耗。为此，能实现固定焦点聚光的聚光装置就显得非常重要和有实际应用价值，因为焦点固定后，可将用热设备与聚光装置独立分开。中国专利申请号201010240479.8，名称为“一种固定焦点的碟式太阳能聚集装置”公开了一种固定焦点的碟式太阳能聚焦装置，该装置通过手动调节和极轴步进转动控制可实现固定焦点聚光，但其采用的聚焦镜面是基于反射聚光的碟式弧形内凹面，向上聚光，较大的用热设备正好挡在入射光束的中央部分，从而影响其聚光效果。
上述论述内容目的在于向读者介绍可能与下面将被描述和/或主张的本发明的各个方面相关的技术的各个方面，相信该论述内容有助于为读者提供背景信息，以有利于更好地理解本发明的各个方面，因此，应了解是以这个角度来阅读这些论述，而不是承认现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现固定焦点聚光的菲涅尔极轴式固定焦点聚光装置及其导杆设计方法，以解决菲涅尔透镜固定焦点聚光的技术问题。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
提供一种菲涅尔极轴式固定焦点聚光装置，包括菲涅尔透镜、第一季节性手动调节导杆、第二季节性手动调节导杆、第三季节性手动调节导杆、撑杆、横轴、极轴、极轴跟踪转动控制系统以及底座支架；所述极轴跟踪转动控制系统安装在底座支架上，所述极轴可转动地安装在底座支架上，极轴一端与极轴跟踪转动控制系统的转动轴连接，另一端垂直固定在横轴的中点处；所述三根撑杆的一端分别固定在横轴的两端及中点处，另一端分别与第一季节性手动调节导杆、第二季节性手动调节导杆、第三季节性手动调节导杆固定连接；所述菲涅尔透镜边框上设置有可分别滑动并定位卡在第一季节性手动调节导杆、第二季节性手动调节导杆、第三季节性手动调节导杆上的三个卡子。
其中，所述第一季节性手动调节导杆、第二季节性手动调节导杆、第三季节性手动调节导杆上分别设有根据季节变化而设置的卡位槽，所述卡位槽供卡子卡位和固定。
其中，所述第一季节性手动调节导杆、第二季节性手动调节导杆为弧形杆，所述卡位槽设置在弧形杆的侧面上。
其中，所述第三季节性手动调节导杆为弧形杆，所述卡位槽设置在弧形杆的内圈上。
其中，所述菲涅尔透镜为圆形，向下聚光，菲涅尔透镜边缘由金属框架包裹，三个卡子设置在金属框架上。
其中，所述极轴由轴承、支撑安装在底座支架上，极轴通过联轴器与极轴跟踪转动控制系统的转动轴连接。
提供一种菲涅尔极轴式固定焦点聚光装置的导杆设计方法，步骤如下：
S1、以地面为基准，取地面上方H处为菲涅尔聚光透镜焦点O；
S2、获取菲涅尔聚光透镜的焦距r1、包含卡子大小的菲涅尔聚光透镜的半径r2以及当地纬度角Φ；
S3、以焦点O为圆心，以r1为半径作圆O1，以 为半径作圆O2；过焦点O作一条直线L1，该直线与地面夹角为当地纬度角Φ，直线L1即为极轴方向；过焦点O作另一条直线L2，该直线与地面夹角为Φ+23.5°；过焦点O作又一条直线L3，该直线与地面夹角为Φ-23.5°；过焦点O分别作直线L2和L3的垂线L4和L5，L4和L5与圆O1分别相交于点W1和W2；过点W1和W2分别作圆O1的切线L6和L7，切线L6和L7与圆O2分别相交于点A1、A2和B1、B2。则圆弧即为第三季节性手动调节导杆的形状和相对位置，圆弧即为第一季节性手动调节导杆和第二季节性手动调节导杆的形状和相对位置。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过季节性手动调节和步进转动装置相结合，将复杂的二维跟踪转化为一维的相对简单且易于控制的步进调节，便于计算机控制，调和了跟踪精度与运行成本之间的矛盾。
2、与大多数非定焦点的点聚光装置相比，该装置实现了固定焦点聚光，特别是实现了菲涅尔透镜的固定焦点聚光，吸热装置无需跟随聚光装置转动，可固定吸热，从而实现了吸热装置与聚光装置的相对独立，有利于在聚焦点处安装比较大而复杂且与外界连通的设备。
3、就该装置的转动控制而言，由于无需承重吸热装置，该装置只需要一个小功率的步进电机来控制，能耗小。
4、与碟式或槽式向上聚光相比，该聚光装置采用菲涅尔透镜向下聚光，能克服碟式或槽式聚光弧形内凹面向上反射聚光时，焦点处较大的吸热装置遮挡太阳光线的缺点。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1为定焦点极轴式太阳能菲涅尔聚光装置的结构示意图。
图2为菲涅尔聚光透镜上的卡子位置及结构示意图。
图3为第一、第二季节性手动调节导杆的结构示意图。
图4为第三季节性手动调节导杆的结构示意图。
图5为定焦点极轴式太阳能菲涅尔聚光装置导杆设计方法的几何作图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1至图4所示，本发明所述菲涅尔极轴式固定焦点聚光装置，包括菲涅尔透镜1、第一季节性手动调节导杆2、第二季节性手动调节导杆3、第三季节性手动调节导杆4、撑杆5、6、7、横轴8、极轴9、极轴跟踪转动控制系统13以及底座支架14；所述极轴跟踪转动控制系统13安装在底座支架14上，所述极轴9可转动地安装在底座支架14上，极轴9由轴承10、11支撑安装在底座支架14上。极轴9一端通过联轴器12与极轴跟踪转动控制系统13的转动轴连接，另一端垂直固定在横轴8的中点处；所述三根撑杆5、6、7的一端分别固定在横轴8的两端及中点处，另一端分别与第一季节性手动调节导杆2、第二季节性手动调节导杆3、第三季节性手动调节导杆4固定连接；所述菲涅尔透镜1边框上设置有可分别滑动并定位卡在第一季节性手动调节导杆2、第二季节性手动调节导杆3、第三季节性手动调节导杆4上的三个卡子16、17、18。所述第一季节性手动调节导杆2、第二季节性手动调节导杆3、第三季节性手动调节导杆4上分别设有根据季节变化而设置的卡位槽19，卡位槽19沿导杆的长度方向设置，所述卡位槽19供卡子卡位和固定。所述菲涅尔透镜1为圆形，向下聚光，菲涅尔透镜1边缘由金属框架15包裹，三个卡子16、17、18设置在金属框架上。三个卡子16、17、18与菲涅尔透镜1中心的三根连线中，相邻连线形成的角度为90度。所述第一季节性手动调节导杆2、第二季节性手动调节导杆3为弧形杆，所述卡位槽19设置在弧形杆的侧面上，卡位槽19分布的形状为弧形，与弧形杆的中心弧形线重合。所述第三季节性手动调节导杆4为弧形杆，所述卡位槽19设置在弧形杆的内圈上，卡位槽19分布的形状为弧形，与弧形杆的中心弧形线共圆心。
本发明提供的菲涅尔极轴式固定焦点聚光装置的导杆设计方法，采用固定焦点设计法，即在预先给定焦点位置的情况下进行几何作图设计季节性手动调节导杆的形状和相对位置的方法，具体步骤如下：
S1、焦点位置的确定。以地面为基准，取地面上方H处为菲涅尔聚光透镜焦点O；
S2、设计参数的获取。获取菲涅尔聚光透镜的焦距r1、包含卡子大小的菲涅尔聚光透镜的半径r2以及当地纬度角Φ；
S3、季节性手动调节导杆形状和相对位置的确定。以焦点O为圆心，以r1为半径作圆O1，以为半径作圆O2；过焦点O作一条直线L1，该直线与地面夹角为当地纬度角Φ，直线L1即为极轴方向；过焦点O作另一条直线L2，该直线与地面夹角为Φ+23.5°；过焦点O作又一条直线L3，该直线与地面夹角为Φ-23.5°；过焦点O分别作直线L2和L3的垂线L4和L5，L4和L5与圆O1分别相交于点W1和W2；过点W1和W2分别作圆O1的切线L6和L7，切线L6和L7与圆O2分别相交于点A1、A2和B1、B2。则圆弧即为第三季节性手动调节导杆4的形状和相对位置，圆弧即为第一季节性手动调节导杆2和第二季节性手动调节导杆3的形状和相对位置。
通过设计获得的几例计算结果列于下表，位置由图示位置确定：
上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，不能理解为对本发明保护范围的限制。
总之，本发明虽然例举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种菲涅尔极轴式固定焦点聚光装置，包括菲涅尔透镜(1)、极轴(9)、极轴跟踪转动控制系统(13)以及底座支架(14),所述极轴跟踪转动控制系统(13)安装在底座支架(14)上，所述极轴(9)可转动地安装在底座支架(14)上，其特征在于：还包括第一季节性手动调节导杆(2)、第二季节性手动调节导杆(3)、第三季节性手动调节导杆(4)、三根撑杆(5、6、7)、横轴(8)；所述极轴(9)一端与极轴跟踪转动控制系统(13)的转动轴连接，另一端垂直固定在横轴(8)的中点处；所述三根撑杆(5、6、7)的一端分别固定在横轴(8)的两端及中点处，另一端分别与第一季节性手动调节导杆(2)、第二季节性手动调节导杆(3)、第三季节性手动调节导杆(4)固定连接；所述菲涅尔透镜(1)边框上设置有可分别滑动并定位卡在第一季节性手动调节导杆(2)、第二季节性手动调节导杆(3)、第三季节性手动调节导杆(4)上的三个卡子(16、17、18)。
2.根据权利要求1所述菲涅尔极轴式固定焦点聚光装置，其特征在于：所述第一季节性手动调节导杆(2)、第二季节性手动调节导杆(3)、第三季节性手动调节导杆(4)上分别设有根据季节变化而设置的卡位槽(19)，所述卡位槽(19)供卡子卡位和固定。
3.根据权利要求2所述菲涅尔极轴式固定焦点聚光装置，其特征在于：所述第一季节性手动调节导杆(2)、第二季节性手动调节导杆(3)为弧形杆，所述卡位槽(19)设置在弧形杆的侧面上。
4.根据权利要求2所述菲涅尔极轴式固定焦点聚光装置，其特征在于：所述第三季节性手动调节导杆(4)为弧形杆，所述卡位槽(19)设置在弧形杆的内圈上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述菲涅尔极轴式固定焦点聚光装置，其特征在于：所述菲涅尔透镜(1)为圆形，向下聚光，菲涅尔透镜(1)边缘由金属框架(15)包裹，三个卡子(16、17、18)设置在金属框架上。
6.根据权利要求1至4中任一项所述菲涅尔极轴式固定焦点聚光装置，其特征在于：所述极轴(9)由轴承(10、11)支撑安装在底座支架(14)上，极轴(9)通过联轴器(12)与极轴跟踪转动控制系统(13)的转动轴连接。
7.一种菲涅尔极轴式固定焦点聚光装置的导杆设计方法，步骤如下：
S1、以地面为基准，取地面上方H处为菲涅尔聚光透镜焦点O；
S2、获取菲涅尔聚光透镜的焦距r1、包含卡子大小的菲涅尔聚光透镜的半径r2以及当地纬度角Φ；
S3、以焦点O为圆心，以r1为半径作圆O1，以为半径作圆O2；过焦点O作一条直线L1，该直线与地面夹角为当地纬度角Φ，直线L1即为极轴方向；过焦点O作另一条直线L2，该直线与地面夹角为Φ+23.5°；过焦点O作又一条直线L3，该直线与地面夹角为Φ-23.5°；过焦点O分别作直线L2和L3的垂线L4和L5，L4和L5与圆O1分别相交于点W1和W2；过点W1和W2分别作圆O1的切线L6和L7，切线L6和L7与圆O2分别相交于点A1、A2和B1、B2，则圆弧即为第三季节性手动调节导杆(4)的形状和相对位置，圆弧即为第一季节性手动调节导杆(2)和第二季节性手动调节导杆(3)的形状和相对位置。
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